Il dono più importante che i vostri genitori vi abbiano mai fatto
sono le due coppie di tre miliardi di codice del DNA
che formano il vostro genoma.
Ma come qualsiasi cosa formata da tre miliardi di componenti
è un dono molto fragile.
Il sole, il fumo, il cibo non sano,
anche gli errori naturali che fanno le vostre cellule,
tutto questo provoca cambiamenti al genoma.
Il cambiamento più comune del DNA
è la semplice inversione di una lettera, o base, come la C,
con un'altra lettera, come la T, G o A.
Ogni giorno le cellule del vostro corpo effettuano
miliardi di questi scambi di lettere chiamati "mutazioni puntiformi".
La maggior parte di queste mutazioni sono benigne.
Ma ogni tanto, una mutazione puntiforme interrompe
una funzione importante di una cellula
o causa un comportamento anomalo della cellula stessa.
Se la mutazione vi è stata tramandata dai vostri genitori
o è avvenuta nella fase iniziale del vostro sviluppo,
il risultato è che molte o tutte le vostre cellule
conterranno questo mutamento maligno.
E voi sareste una delle centinaia di milioni di persone
con una malattia genetica, come l'anemia falciforme o la progeria,
o la distrofia muscolare, o la malattia di Tay-Sachs.
Queste gravissime malattie genetiche causate da mutazioni puntiformi
sono particolarmente frustranti,
perché spesso sappiamo qual è esattamente la modifica della lettera
che causa la malattia e che, in teoria, potrebbe curarla.
Milioni di persone soffrono di anemia falciforme
perché hanno una sola mutazione puntiforme da A a T
nelle loro coppie di geni di emoglobina.
I bambini affetti da progeria sono nati con una T
in una precisa posizione del loro genoma
dove dovrebbe trovarsi una lettera C,
con la conseguenza devastante che questi ragazzi incredibili e brillanti
invecchiano molto rapidamente e muoiono verso i 14 anni.
Nella storia della medicina non abbiamo mai avuto modo
di correggere le mutazioni puntiformi in sistemi viventi,
per variare la lettera da T, causa della malattia, in C.
Fino ad ora, forse.
Infatti il mio laboratorio recentemente è riuscito a sviluppare questa capacità
che noi chiamiamo "editing di basi".
La storia di come abbiamo sviluppato l'editing di basi
di fatto inizia tre miliardi di anni fa.
Consideriamo i batteri come fonte di infezioni,
ma anche gli stessi batteri vengono infettati,
in particolare dai virus.
Per cui circa tre miliardi di anni fa,
i batteri hanno sviluppato un meccanismo di difesa per combattere le infezioni.
Quel meccanismo di difesa è meglio conosciuto come CRISPR.
La testata del CRISPR è questa proteina in viola
che agisce come forbice molecolare per tagliare il DNA,
rompendo in due la doppia elica del DNA.
Se il CRISPR non riuscisse a distinguere tra DNA di batteri e di virus
non sarebbe un sistema di difesa efficace.
Ma la funzionalità più incredibile del CRISPR
è che le forbici possono essere programmate per cercare,
legarsi e tagliare soltanto una specifica sequenza di DNA.
Così quando un batterio incontra un virus per la prima volta,
può conservare un piccolo frammento di DNA di quel virus
usandolo per programmare le forbici del CRISPR
a tagliare quella sequenza di DNA in caso di infezione.
Tagliare il DNA del virus danneggia le funzioni del gene virale stesso
e interrompe di conseguenza il ciclo vitale del virus.
Ricercatori importanti quali
Emmanuelle Charpentier, George Church,
Jennifer Doudna e Feng Zhang
sei anni fa hanno dimostrato come le forbici CRISPR possono essere programmate
per tagliare le sequenze di DNA da noi selezionate,
comprese le sequenze del vostro genoma,
al posto delle sequenze del DNA del virus selezionate dai batteri.
I risultati sono del tutto simili.
Anche tagliare una sequenza di DNA del vostro genoma
interrompe la funzione del gene tagliato, generalmente,
causando l'inserimento o la cancellazione
di lettere di DNA a caso nel punto del taglio.
Ora, interrompere i geni può essere molto utile in alcune applicazioni.
Ma per molte mutazioni puntiformi che causano malattie genetiche,
il solo tagliare un gene già mutato, non aiuta i malati,
perché la funzione del gene mutato deve essere ripristinata,
non interrotta ulteriormente.
Per cui, tagliare questo gene di emoglobina già mutato
che causa l'anemia falciforme,
non ripristina la capacità dei pazienti di generare cellule sanguigne sane.
Anche se a volte riusciamo a introdurre nuove sequenze di DNA nelle cellule
per ripristinare le sequenze di DNA attorno ad un taglio,
questo processo, sfortunatamente, non funziona in molti tipi di cellule,
e il gene modificato torna a prendere il sopravvento.
Come molti scienziati, ho sognato un futuro
in cui saremo in grado di trattare o persino curare
le malattie genetiche dell'uomo.
Ma credo che la mancanza di soluzioni per le mutazioni puntiformi,
che causano la maggior parte di malattie genetiche,
ed è uno dei maggiori ostacoli da superare.
Essendo un chimico, ho cominciato a lavorare con i miei studenti
per trovare modi di trasformare chimicamente le basi del DNA,
per aggiustare, più che interrompere,
le mutazioni che causano malattie genetici.
I risultati dei nostri sforzi sono macchine molecolari
chiamate "editor di basi".
Gli editor di basi usano il meccanismo programmabile delle forbici CRISPR,
ma al posto di tagliare il DNA,
trasformano direttamente una base in un'altra base
senza interrompere il resto del gene.
Quindi, se pensate alle proteine CRISPR
che agiscono come forbici molecolari,
potete pensare agli editor di basi come matite,
capaci di riscrivere direttamente una lettera di DNA sull'altra
di fatto riorganizzando gli atomi della base di DNA
invece di trasformarli in una base diversa.
Bene, gli editor di basi non esistono in natura.
In effetti, abbiamo progettato il primo editor di basi, qui in foto,
con tre proteine diverse
che non provengono nemmeno dallo stesso organismo.
Abbiamo iniziato con le forbici CRISPR e disabilitato la capacità di tagliare DNA
e mantenendo intatta la capacità di ricercare e legare
a una specifica sequenza di DNA in maniera programmata.
Alle forbici CRISPR disabilitate, in blu,
abbiamo legato una seconda proteina, in rosso,
che attua una reazione chimica sul DNA di base C,
modificandolo con una base che agisce come T.
Terzo, abbiamo dovuto legare alle due proteine
la proteina mostrata in viola,
che protegge la base modificata dall'essere eliminata dalla cellula.
Il risultato è una proteina ingegnerizzata a tre componenti
che , per la prima volta ci permette di convertire le C in T
in punti specifici del genoma.
Ma anche a questo punto, il nostro lavoro era solo a metà strada.
Perché, per essere stabile nelle cellule,
i due filamenti di DNA a doppia elica devono formare coppie di basi.
E, dal momento che le C si accoppiano unicamente con le G,
e le T si accoppiano con le A,
cambiare semplicemente le C con le T su un filamento di DNA
crea sfasamento,
un'incongruenza tra i due filamenti di DNA
che le cellule devono risolvere decidendo quale filamento sostituire.
Abbiamo capito che era possibile modificare ulteriormente
questa proteina a tre
per marcare il filamento non modificato per la sostituzione
sottraendogli il filamento.
Questo piccolo trucco inganna la cellula
che rimpiazza la G non modificata con una A
ricostruendo il filamento,
e completando la conversione definitiva di quella che era una base C-G
in una coppia T-A stabile.
Dopo molti anni di duro lavoro,
diretto da uno dei post-doc del laboratorio, Alexis Comor,
siamo riusciti a sviluppare il primo gruppo di editor di basi,
che convertono le C in T e le G in A
in punti specifici a nostra scelta.
Tra le oltre 35.000 malattie conosciute,
associate a mutazione puntiforme,
i due tipi di mutazione che questo primo tipo di editor di basi può modificare
ne raggruppa circa il 14 per cento, ovvero circa 5.000 mutazioni patogene.
Ma correggere la maggioranza delle mutazioni che causano malattie
necessiterebbe lo sviluppo di un altro tipo di editor di basi,
un tipo che potrebbe convertire le A in G o le T in C.
Diretti da Nicole Gaudelli, un precedente post doc del laboratorio,
abbiamo iniziato a sviluppare questa seconda categoria di editor di basi,
che in teoria, potrebbe correggere quasi la metà
di tutte le mutazioni patogene,
inclusa la mutazione che causa il rapido invecchiamento della progeria.
Ci siamo accorti che potevamo prendere in prestito, ancora una volta,
il meccanismo bersaglio delle forbici CRISPR
per guidare il nuovo editor di basi nel punto esatto all'interno del gene.
Ma abbiamo subito incontrato un problema enorme:
non esiste nessuna proteina
che sappia convertire le A in G o T in C all'interno del DNA.
Scontrandoci con questo muro,
la maggior parte degli studenti avrebbe cercato altri progetti,
o forse un altro supervisore.
(Risate)
Ma Nicole ha accettato di continuare con un piano
che al momento sembrava estremamente ambizioso.
Vista la mancanza in natura di queste proteine
che potevano fare la chimica necessaria, abbiamo deciso
che potevamo sviluppare in laboratorio la nostra specifica proteina
che potesse convertire una A in una base
che si comportasse come G,
prendendo una proteina che attua sul RNA una chimica simile.
Abbiamo avviato una selezione darwiniana del più adatto alla vita
che esplorasse le decine di milioni di varianti di proteine
e che permettesse la sopravvivenza solo alle rare varianti
che sapevano mettere in atto quel processo chimico.
Siamo arrivati a questa proteina,
la prima che riesce a convertire una A del DNA
in una base che assomiglia ad una G.
Una volta legata questa proteina
alle forbici CRISPS disabilitate, qui in blu,
abbiamo prodotto il secondo modello di editor di basi,
che converte le A in G,
e che poi impiega la stessa tattica di sottrazione
usata nel primo modello di editor di basi
per ingannare le cellule a sostituire la base non modificata T con una C
quando ricostruisce il filamento sottratto,
così portando a termine la conversione completa
della coppia A-T con G-C.
(Applausi)
Grazie.
(Applausi)
In qualità di scienziato accademico degli Stati Uniti,
non sono abituato ad essere interrotto dagli applausi.
(Risate)
Abbiamo sviluppato questi due modelli di editor di basi,
solo tre anni fa e un anno e mezzo fa.
Ma anche se è passato poco tempo,
l'editing di basi è già ampliamente usato dalla comunità di ricerca biomedica.
Sono stati spediti più di 6000 editor
rispondendo alle richieste di oltre 1.000 ricercatori di tutto il mondo.
Sono già state pubblicate centinaia di ricerche
che utilizzano editor di basi in organismi che vanno dai batteri
alle piante, ai topi, ai primati.
Sebbene gli editor di basi siano troppo recenti
per entrare nella ricerca umana,
gli scienziati hanno raggiunto una tappa fondamentale verso l'obiettivo
usando editor di basi sugli animali
per correggere mutazioni puntiformi che causano malattie genetiche nell'uomo.
Ad esempio, un team di scienziati diretti da Luke Koblan e Jon Levy,
due altri studenti del mio laboratorio,
hanno recentemente usato un virus
per inoculare questo secondo tipo di editor
in un topo affetto da progeria,
mutando la T che provoca la malattia in una C
e annullando le conseguenze sul DNA, RNA e proteine.
Gli editor di base sono utilizzati anche sugli animali
per invertire le conseguenze di tirosinemia,
di beta-talassemia, distrofia muscolare,
fenilchetonuria, una sordità congenita
e un tipo di malattia cardiovascolare--
in tutti i casi, correggendo direttamente una mutazione puntiforme
che causa o contribuisce alla malattia.
Gli editor di basi sono stati impiegati sulle piante
per introdurre cambi di lettere singole sul DNA
che potessero dare un raccolto migliore.
E i biologi hanno usato gli editor di basi per verificare
il ruolo delle singole lettere
in geni associati a malattie come il cancro.
Le due società che ho creato, Beam Therapeutics e Pairwise Plants,
usano editor di basi per curare le malattie genetiche dell'uomo
e per migliorare l'agricoltura.
Tutte queste applicazioni di editing di basi
hanno preso piede in meno di tre anni:
sulla scala del tempo della scienza,
è un battito di ciglia.
Davanti a noi c'è altro lavoro
prima che l'editing delle basi possa raggiungere
il suo pieno potenziale
e migliorare la vita di pazienti con malattie genetiche.
Anche se molte malattie sono difficilmente curabili
correggendo la mutazione sottostante,
in poche cellule di un organo,
portare macchine molecolari come gli editor di basi
all'interno delle cellule umane
può essere sfidante.
Utilizzare i virus esistenti per ottenere editor di basi
invece di usare le molecole del raffreddore
è una delle strategie migliori per arrivare al risultato
che sia mai stata usata.
Continuare a sviluppare nuove macchine molecolari
che possano indentificare altri modi
per convertire una coppia di basi in un'altra coppia
e che minimizzi le modifiche non richieste in altri punti delle cellule
è fondamentale.
E impegnarsi con altri scienziati, medici, studiosi di etica e governi
per massimizzare la possibilità che l'editing di basi
venga applicato con coscienza
in modo sicuro e etico
rimane un obbligo essenziale.
Malgrado queste sfide,
se mi aveste detto anche solo cinque anni fa
che studiosi di tutto il mondo
avrebbero usato macchine molecolari sviluppate in laboratorio
per modificare direttamente una singola coppia di basi
in un'altra coppia
in un punto specifico del genoma umano,
in modo efficiente e con danni secondari minimi,
vi avrei chiesto, "Ma che libro di fantascienza state leggendo?"
Grazie a questo gruppo di studenti così dediti e instancabili,
così creativi da realizzare quello che noi stessi progettavamo
e così coraggiosi da sviluppare quello che non sapevamo fare,
l'editing ha cominciato a trasformare quella aspirazione fantascientifica
in una nuova emozionante realtà,
in cui il più grande regalo che possiamo dare ai nostri figli
non è solo un set di tre miliardi di lettere di DNA,
ma anche i mezzi per proteggerli e ripararli.
Grazie
(Applausi)
Grazie.